Bozar konstruktor

Nazwa brzmi dość groźnie, ale to nieskomplikowane urządzenie, którego zadaniem jest przy jak najmniejszych stratach utrzymać stały prąd w obwodzie wyjścia, niezależnie od obciążenia i napięcia wejściowego.

Trochę teorii

Po co to i dlaczego? Otóż do zasilania mocnych diod LED, które można znaleźć w nowoczesnych latarkach. To niezawodne i wydajne źródła światła, ale jest jeden haczyk, bo powinny być zasilane stałym prądem. Do klasycznej latarki wkładamy zwykle 2 paluszki, które dają w miarę stałe napięcie 3V, które zasila żarówkę. Dlaczego w przypadku diod ten patent by się nie sprawdził? Otóż wszystkie diody mają bardzo stromą charakterystykę. Powoli zwiększając napięcie, trafimy w końcu na taki punkt, w którym pobierany prąd gwałtowanie podskoczy. Wystarczy, że nasze bateria będą miały o 0.1V więcej, aby prąd podskoczył o kilkadziesiąt mA, uszkodzi cenną diodę. Dlatego lepiej patrzeć na prąd, niż starać się precyzyjnie wyregulować napięcie, które waha się z egzemplarza na egzemplarz i w dodatku zależy jeszcze od temperatury.

Jak to się robi? Na 2 sposoby - liniowo i impulsowo. Regulator (stabilizator) liniowy to złożona z 2-3 elementów prosta konstrukcja, oparta np. układzie LM317, która zachowuje się jak "inteligentny rezystor", zmieniając swą oporność tak, aby w obwodzie płynął stały, ustalony prąd. Dzieje się to poprzez spadek napięcia na wewnętrznym tranzystorze, którego nadmiar wydziela się w postaci ciepła. Zatem przy zasilaniu trzywatowej diody o napięciu przewodzenia ~3V prądem 1A z akumulatora 12V będziemy mieć do wytracenia aż 9W ciepła. Sprawność takiego układu wynosi 3V / 12V = 25%. Bardzo słabo. Ale może przynajmniej na nim coś usmażyć.

Problem sprawności rozwiązują przetwornice impulsowe. W liniowych elementem wykonawczym jest mocny tranzystor, którego stopień otwarcia ustala płynący prąd i to na nim odbywa się spadek napięcia i wytracanie energii w postaci ciepła. W przetwornicy impulsowej też znajdziemy tranzystor, ale pracuje on w inny sposób - w pełni otwiera się i zamyka kilkadziesiąt tys. razy na sekundę, a regulacja napięcia odbywa się poprzez dobór stosunku czasu otwarcia do zamknięcia. Skąd taki dziwny pomysł? Otóż jak wiadomo tranzystor w stanie przewodzenia generuje bardzo mały spadek napięcia (typ. 0.2V, max. 1V), więc grzeje się dużo, dużo mniej, niż gdyby był otwarty do połowy.

Jednak pojawia się tu mały problem - taki układ wytwarzałby prąd zmienny o przebiegu prostokątnym, niezbyt zdatny do zasilania czegokolwiek poza żarówką. Aby temu zaradzić, szeregowo montuje się cewkę, która stanowi magazyn energii w momencie, kiedy tranzystor wykonawczy jest zamknięty. Typowo dodaje się też szybką diodę półprzewodnikową, aby zabezpieczyć obwody przetwornicy przed impulsem napięcia o odwrotnej polaryzacji, pojawiającym się w momencie wyłączenia cewki, a także kondensator, dodatkowo wygładzający napięcie wyjściowe. Cały proces włączania i wyłączania cewki odbywa się kilkadziesiąt tys. razy na sekundę, więc  efekt zlewa się w stabilny prąd stały, który może zasilać nie tylko diody, ale nawet wrażliwe mikrokontrolery.

Cewka dzięki swojej zdolności magazynowania energii odciąża przetwornicę (nie musi ona wtedy pobierać prądu), przez co w idealnym (ale niestety nierealnym) układzie dochodzi do takiej konwersji, że Napięcie wejściowe × prąd wejściowy = napięcie wyjściowe × prąd wyjściowy. Tak więc żądna energia nie marnuje się w postaci ciepła. W praktyce jest to bardzo mała ilość - 10-20% na dobrze zaprojektowanej płytce.

CC SMPS, czyli constant current switched-mode power supply

Zaprezentowany układ oparty jest na kostce LM2576. To wyjątkowo tania (~5zł), prosta w złożeniu (5 elementów) i efektywna (η typ. 80%) przetwornica w przyjaznej obudowie TO-220.
Są dwie wersje układu - regulowana i z predefiniowanym napięciem. Nas interesuje ta pierwsza, gdyż posiada pin FEEDBACK, pełniący kluczową rolę w stabilizacji napięcia wyjściowego. Niestety ani nota katalogowa, ani wujek Google nie opisują sposobu stabilizacji prądu. Okazuje się to jednak całkiem proste, tylko trzeba odejść od typowej aplikacji LM2576.

Ale najpierw kilka zdań na temat roli pinu FEEDBACK. Jest to wejście służące przetwornicy do pomiaru napięcia wyjściowego, aby mogła na jego podstawie skorygować swoje parametry pracy (głównie stosunek czasu włączenia do wyłączenia). Dlaczego ten pin jest wyprowadzony, a pomiar nie odbywa się wewnątrz układu scalonego, jak np. w stabilizatorze liniowym 7805? Ano po to, żebyśmy mogli sobie pokombinować :) Przetwornica oczekuje na tym pinie 1.23V i zrobi wszystko co w jej mocy, żeby tyle tam było. Nie na wyjściu, tylko na pinie FEEDBACK. Gdybyśmy chcieli stabilizować napięcie, wstawilibyśmy dzielnik, który dostarczałbym jakąś część napięcia wyjściowego do pinu FEEDBACK, np. 10%, przez co otrzymalibyśmy stabilne 12.3V. A jak stabilizować prąd? Wymyśliłem dwie wersje - prostą i optymalną.

Z prawa Ohma wiemy, że prąd płynąc przez rezystor generuje na nim spadek napięcia. Jeśli wstawimy rezystor w obwodzie masy (tuż przy wyjściu), to po jednej jego stronie będziemy mieć 0V, a po drugiej napięcie o wartości U=I×R. Jak wiadomo, przetwornica zrobi wszystko, aby mieć na pinie FEEDBACK 1.23V. Podłączmy zatem ten pin do naszego rezystora pomiarowego o wartości np. 12Ω. Co się stanie po podłączeniu obciążenia? Przetwornica tak dobierze napięcie, aby prąd płynący w obwodzie wytworzył spadek 1.23V na rezystorze pomiarowym. Stanie się to przy prądzie ~100mA. I nie ważne jakie (w granicach rozsądku) obciążenie podłączymy - prąd będzie zawsze stały. A jak to rozwiązanie prezentuje się pod względem sprawnościowym? Jak wiadomo, na rezystorze pomiarowym dochodzi do spadku napięcia, zatem też do wydzielania się ciepła. W przypadku zasilania diody mocy prądem 700mA będzie to 1.23V×0.7A = 0.86W. Sporo, ale o niebo lepiej niż przy stabilizatorze liniowym.

Przy tych parametrach prąd 1.23A wytworzy spadek 0.123V na rezystorze pomiarowym, który wzmocniony 10-krotnie "zadowoli" przetwornicę, bo dostanie ona swoje wymarzone 1.23V na pinie pomiarowym.
Policzmy teraz jak ustalić prąd 700mA. Przy takim prądzie na rezystorze 0.1Ω mielibyśmy spadek 0.07V. Jakie musi być wzmocnienie, aby wyszło z tego 1.23V? Mniej więcej 1.23÷0.07=17.6. Zatem aby uzyskać prąd 0.7A należy dobrać wzmocnienie 17.6x i rezystor pomiarowy 0.1Ω. A co ze stratami? 0.7A×0.1Ω=0.07W. To tak śmiesznie niska wartość, że w porównaniu do 3W pobieranych przez diodę, jest kompletnie niewyczuwalna :) Największe straty generuje przetwornica (dla czegoś musi kosztować tylko te 5zł :)) - średnio 1W na 1A p W wyniku pomiarów obliczyłem sprawność tej konstrukcji na η≈75%, przy czym rośnie ona wraz z pobieranym prądem.

Ta wersja daje nam też możliwość płynnej regulacji prądu. Można zauważyć, że potencjometr zapewnia bardzo nieliniowe wzmocnienie, ale przez to prąd jest dużo bardziej liniowy (takie tam skomplikowane wzory i coś tam pewnie w mianowniku :P). Dla R2=100kΩ i potencjometru 50kΩ uzyskujemy zakres ~0-1.25A, czyli całkiem w sam raz do zasilania diód mocy.

Jeśli chcemy iść w wyższe prądy, skorzystajmy z wzoru I=(1.23/Rsc)/(1+R2/R1). Dla ciekawskich: dla układu bez wzmacniacza wzór to tylko I=1.23/Rsc, bo pomiar odbywa się bezpośrednio na rezystorze Rsc, więc korzystamy z czystego prawa Ohma. W wersji ze wzmacniaczem wzmacnia on napięcie na Rsc zgodnie ze wzorem na wzm. nieodwracający, czyli A=(1+R2/R1) razy, zatem "pomaga" przetwornicy A-krotnie, stąd dzielenie przez tą wartość. W praktyce nie jest to super dokładny wzór, bo w grę jeszcze wchodzi napięcie offsetowe i inne niedoskonałości wzm. op., ale do orientacyjnego ustalenia zakresu wystarcza, a dokładnej regulacji możemy dokonać potencjometrem.

Mała uwaga odnośnie źródeł prądowych: nigdy, przenigdy nie podłączajmy do nich diod  kiedy są włączone. Bez obciążenia na wyjściu każdego źródła prądowego pojawia się maksymalne możliwe napięcie. To nie problem, dopóki nie ma kondensatora w obwodzie wyjścia, ponieważ ładuje się on wtedy tym maksymalnym napięciem i oddaje je momentalnie pierwszej podłączonej rzeczy, powodując przepływ bardzo dużego prądu na ułamek sekundy. To wystarcza, aby spalić cenny element. Niestety kondensator wyjściowy jest niezbędny dla zagwarantowania stabilnej pracy przetwornicy i nie można go pominąć. Zatem zawsze pamiętajmy, aby najpierw podłączać diodę, a dopiero potem włączać zasilanie tego typu przetwornicy.